Network Analysis di forame ovale elettrodi Recordings in farmaco-resistenti epilessia del lobo temporale pazienti
Summary
This protocol describes a procedure to track the evolution of mesial network measures in temporal lobe epilepsy (TLE) patients. It is based on the combination of intracranial recordings with a novel numerical technique for data analysis. Specifically, we present a protocol for network analyses of foramen ovale recordings.
Abstract
Circa il 30% dei pazienti con epilessia sono refrattari ai farmaci antiepilettici. In questi casi, la chirurgia è l'unica alternativa per eliminare convulsioni / controllo. Tuttavia, una minoranza significativa di pazienti continua a presentare convulsioni post-operatorie, anche in quei casi in cui la fonte sospetta di convulsioni sia stata correttamente localizzati e resecati. Il protocollo presentato qui combina una procedura clinica di routine utilizzata durante la valutazione pre-operatoria di epilessia del lobo temporale pazienti (TLE) con una tecnica innovativa per l'analisi della rete. Il metodo permette di valutare l'evoluzione temporale dei parametri di rete mesiali. L'inserimento bilaterale di elettrodi forame ovale (FOE) nella cisterna ambiente registra contemporaneamente attività elettrocorticale in diverse aree mesiali del lobo temporale. Inoltre, la metodologia di rete applicata alla serie tempo registrato segue l'evoluzione temporale delle reti mesiali sia interictally e durante laconvulsioni. In questo modo, il protocollo presentato offre un modo unico per visualizzare e quantificare misure che considera le relazioni tra diverse aree mesiali invece di una singola area.
Introduction
L'epilessia è una malattia invalidante che colpisce 1-2% della popolazione mondiale. Nella maggior parte dei casi, convulsioni – le caratteristiche di epilessia – possono essere completamente controllati o abolite con farmaci antiepilettici. Tuttavia, circa il 30% dei brevetti epilessia sono refrattari alle terapie farmacologiche. Nel tipo più comune di epilessia, l'epilessia lobo temporale (TLE) 1, fortunatamente chirurgia è una valida alternativa per migliorare la condizione del paziente. I risultati di meta-analisi mostrano che quasi due terzi dei pazienti TLE farmaco-resistenti sono nei primi due o tre anni dopo l'intervento chirurgico resettiva 2,3 libero da crisi, anche se questa percentuale varia a seconda di diversi fattori, in particolare, il tipo di dell'ippocampo La sclerosi 2. Un punto critico per un esito positivo è la localizzazione precisa del cosiddetto focus epilettico, la zona corticale responsabile della generazione di convulsioni, che si trova di solito nella mesial area del lobo temporale. Tuttavia, anche in quei casi in cui il focus epilettico è stato correttamente identificati e asportati durante l'intervento chirurgico, una minoranza significativa di pazienti o rimane con crisi post-operatorio o deve essere posto sotto stretto trattamento antiepilettico per controllare le convulsioni. Pertanto, una nuova prospettiva è emersa in cui l'attenzione non si concentra esclusivamente su aree isolate, le interazioni invece corticali costituiscono ora la questione fondamentale. Questo approccio "rete" si fonda il concetto connettoma 4, che si concentra l'attenzione nelle connessioni neurali tra i diversi settori, piuttosto che mettendo in evidenza il ruolo delle strutture compartimenti. Questo nuovo paradigma è stato trovato in teoria dei grafi, un quadro matematico dedicato allo studio delle proprietà topologiche e statistiche di grafici, lo strumento appropriato per esprimere le sue conclusioni fondamentali. In questa prospettiva, il cervello è considerato come un insieme di nodi interconnessi da collegamenti <sup> 5-9 tale che i nodi sono rappresentati dalle aree corticali contemplati dagli elettrodi ei collegamenti tra di essi è dato dal grado di sincronizzazione. Così, questo approccio di rete è stato utilizzato per l'analisi delle registrazioni elettrodo invasive e ha fornito nuove informazioni per promuovere la comprensione del meccanismo alla base della generazione sequestro e propagazione.
Tra le molte tecniche neurofisiologiche invasive abitualmente impiegati nella maggior parte dei centri per l'epilessia in tutto il mondo, i forame ovale elettrodo (FOE) è particolarmente notevole. FOE è una tecnica semi-invasiva perché non vi è alcuna necessità di eseguire una craniotomia, che riduce chirurgia complicazioni legate 10. Inoltre, la posizione del FOE nella cisterna ambiente 11 li rende particolarmente utili per registrare attività mesiale da diverse strutture corticali coinvolte nella generazione e propagazione sequestro, come la corteccia entorinale. Pertanto l'uso dalil suo aspetto è molto diffuso nella valutazione preoperatoria dei pazienti TLE farmaco-resistenti. Tradizionalmente, questa tecnica è utilizzata per individuare l'attività irritativa in forma di picchi epilettogene interictali e taglienti onde, e, soprattutto, per identificare con precisione l'area di mesiale insorgenza sequestro.
La nuova definizione proposta da parte della Commissione sulla classificazione e terminologia della Lega Internazionale contro l'Epilessia (ILAE) suggerisce che i sequestri hanno origine ad un certo punto all'interno di particolari reti 12. Inoltre, numerosi studi hanno dimostrato che gli attacchi sono causati da attività di rete anomala piuttosto che da un'area patologica isolato 13-16. Chiaramente, questa nuova prospettiva richiede rianalisi delle informazioni precedentemente acquisite utilizzando nuovi metodi numerici, come ad esempio la metodologia complessa rete. Anche se l'uso pratico di queste analisi è ancora incipiente pratica clinica, numerosi studi di ricerca hanno dimostrato la lorovalore di 13-17.
Il protocollo descritto di seguito è la combinazione di una pratica clinica di routine effettuati su pazienti epilessia TLE farmaco-resistenti con una nuova tecnica di analisi di rete. Il metodo permette di valutare l'evoluzione temporale dei parametri di rete mesiali. L'inserimento bilaterale del FOE nella cisterna ambiente registra contemporaneamente l'attività elettrocorticale in diverse aree mesiali dei lobi temporali. Un approccio di rete applicata alla serie tempo di registrazione segue l'evoluzione temporale delle reti mesiali sia interictally e durante le convulsioni. In questo modo, il protocollo presentato offre un modo unico per visualizzare e quantificare le misure che considera le relazioni tra le diverse aree mesiale.
Protocol
Representative Results
Discussion
Tradizionalmente, l'epilessia è stato studiato con un approccio orientato alla zona, che ha isolato l'importanza delle aree particolari, in sostanza, la zona di insorgenza delle crisi, come la causa unica di crisi epilettiche. Molto recentemente, un vero e proprio approccio di rete che sottolinea l'importanza delle interazioni tra le aree corticali è stato favorito sopra la zona-oriented prospettiva classica 13-17,28. Tuttavia, il corpo corrente di prove per l'epilessia come una malattia rete è ancora molto frammentato, e sono necessarie ulteriori ricerche. Il presente lavoro si propone di analizzare nuovamente i dati forniti con i metodi tradizionali come il FOE, sotto il complesso approccio di rete. Il protocollo presentato qui descrive un passo per passo metodologico per eseguire una rete complessa e l'analisi spettrale di registrazioni semi-invasive nei pazienti TLE.
L'applicazione della tecnica sopra descritta ha dimostrato l'utilità dell'approccio rete rispetto alla più tradizionale localized o prospettive di zona-oriented. In questi lavori 17,29 è stato dimostrato che, utilizzando la stessa procedura come quella qui descritta, uno squilibrio nella connettività mesiale in pazienti TLE refrattari è evidente. Connettività mesiale è ridotta nel lato ipsilaterale sia durante le interictali 29 e ictali 17,29 fasi. Questo risultato non era prevedibile, cercando esclusivamente presso le aree in cui si pone l'attività epilettogena. Questo risultato in qualche modo sorprendente, è stato descritto anche utilizzando le teorie di rete sui segnali fMRI 30,31. Inoltre, l'applicazione della tecnica combinata della teoria delle reti FOE + ha dimostrato l'equivalenza di attività mesiale durante convulsioni e sotto l'effetto di un promotore di attività epilettogena, in quanto è la somministrazione farmacologica di etomidate 32.
La tecnica qui descritta è in grado di rilevare mesiale squilibrio rete in brevi registrazioni interictali durata al massimo uno or due ore 29. In questo modo, una drastica riduzione dei tempi di analisi e degenza paziente potrebbe essere raggiunto. Inoltre, dal punto di vista terapeutico, lo squilibrio esistente nei pazienti TLE potrebbe essere "risolto" utilizzando cronicamente impiantati (da neurochirurghi) dispositivi, tanto quanto il modo in cui si è fatto in stimolazione cerebrale profonda.
Per ottenere risultati ottimali utilizzando le informazioni fornite in questo protocollo, alcune questioni devono essere considerati in anticipo. In primo luogo, l'impianto degli elettrodi deve essere eseguita da un neurochirurgo esperto, perché la loro collocazione non corretta potrebbe produrre gravi conseguenze neurologiche e registrazioni fuorvianti. Inoltre, la scelta di epoche appropriate per ulteriori analisi si basa interamente sulla interpretazione data dal neurofisiologo del EEG prima; Pertanto, l'esperienza in analisi EEG clinica è obbligatoria. Il formato dei dati dei file esportati dalla elettroencefalografo dipende dalle partimarchio colare; Di conseguenza, sono necessarie buone capacità di programmazione per adattare gli script per diversi formati di dati. Infine, per garantire l'affidabilità dei dati, controlli di qualità dovrebbero essere applicati i risultati. Sovrastima e falsi positivi sono probabili comparire quando si lavora con un elevato numero di correlazioni. In tali casi, metodi statistici per migliorare la sensibilità deve essere utilizzato. A questo proposito, è importante stabilire una soglia nelle correlazioni scartare valori che non sono rappresentativi di una vera sincronizzazione sottostante. Così, in questo protocollo, un bordo tra i nodi i e j sarà considerato solo ad esistere se il valore assoluto della correlazione tra questi nodi è maggiore di 0,5, un criterio precedentemente impiegato 17,26. Altre soglie nella gamma di 0,2-0,8 dovrebbero essere impiegati per verificare i risultati simili e per garantire una transizione graduale da una soglia al seguente soglia. Oltre a soglie, altri Methodologies possono essere utilizzati per ottenere risultati affidabili, come la correzione di Bonferroni o il test dei dati surrogata. Inoltre, quando si lavora con dati EEG, è importante tenere presente che le reti del cervello sono sistemi complessi con dinamiche non lineari; Pertanto, oltre alla correlazione lineare, devono essere utilizzate altre misure di sincronizzazione non lineari per garantire la qualità dei risultati, come informazione reciproca o la sincronizzazione di fase 33.
Calcolo connettività direttamente dagli elettrodi del cuoio capelluto, come è parzialmente fatto in questo lavoro, comporta alcuni rischi. Il problema principale resto l'effetto di contaminazione a causa del volume di conduzione, sempre presente con la registrazione del cuoio capelluto. Un modo per superare questo problema è lavorare sullo spazio fonti, un'alternativa interessante impiegato da molte ricerche. Un altro approccio richiede l'uso di misure di sincronizzazione che minimizza la contaminazione degli effetti di ampiezza. Utilizzando la sincronizzazione di fase (noto anche come fase Llocco Value) che minimizza l'effetto del volume di conduzione, come è stato dimostrato in diverse opere 34.
Come in altre tecniche neurofisiologiche invasive, registrazioni FOE non possono essere ottenuti da soggetti di controllo, un fatto che limita fortemente l'uso di certi protocolli di ricerca. I dati provenienti da registrazioni FOE forniscono informazioni preziose sulla mesiale attività del lobo temporale 17,29,35, soprattutto durante lateralizzazione al lato epilettogena nei pazienti TLE 33. Rispetto alle tecniche invasive, la tecnica FOE atraumatica per il cervello e coinvolge relativamente semplice manipolazione, e le sue registrazioni sono di alta qualità per lunghi periodi di tempo 11. Rispetto alla risonanza magnetica, le registrazioni FOE fornire una migliore risoluzione temporale di attività elettrocorticale. Inoltre, molte possibilità esistono per esplorare misure diverse da quelle utilizzate in questo lavoro. Questi fatti aumentano anche la possibilità di analizzare diverse registrazioni biomedichecontemporaneamente. Questi vantaggi di registrazioni FOE combinati con rete complessa e analisi spettrale rendono questa tecnica un potente strumento per la ricerca epilessia con potenziali applicazioni nella pratica clinica.
Offenlegungen
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Questo lavoro è stato finanziato da sovvenzioni dal Instituto de Salud Carlos III, attraverso PI10 / 00160 e PI12 / 02.839, parzialmente sostenuto da FEDER e da Mutua Madrileña. AS-G. è il destinatario di una borsa di studio post-dottorato da Mutua Madrileña. La simulazione 3D sono stati creati utilizzando il software Biodigitale umana ( www.biodigital.com ) e software ZygoteBody professionale (www.zygotebody.com)
Materials
| Foramen Ovale Electrodes | AD-Tech, Racine, USA |
FO06K-SP10X-000 | Six-contact platinum |
| Electroencephalograph | XLTEK, Canada | XLT-EEG32T | Natus XLTEK |
| MRI machine | General Electric | ||
| SPEC machine | General Electric |
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